Kurs:Maßtheorie auf topologischen Räumen/Stetigkeit von Abbildungen in topologischen Räumen

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Einführung[Bearbeiten]

Als Voraussetzung zu dieser Lerneinheit sollten Sie sich zunächst mit Netzen und Konvergenz befassen, die eine Verallgemeinerung des Folgenbegriffs in bzw. allgemeiner topologischen Räumen mit abzählbarer Umgebungsbasis dargestellt.

Stetigkeit - Konvergenz über Netze[Bearbeiten]

Seien und zwei topologische Räume, eine Abbildung und . Die Funktion heißt stetig in , wenn für alle Netze , die in gegen konvergieren auch das Bildnetz gegen konvergiert:

Dabei bezeichnet "" in "" die partielle Ordnung auf der Indexmenge .

Satz - Epsilon-Delta-Kriterium für topologische Räume[Bearbeiten]

Seien und zwei topologische Räume, eine Abbildung und . Die Funktion ist genau dann stetig in , wenn gilt

Bemerkung - Strukturgleichheit Epsilon-Delta-Kriterium[Bearbeiten]

Diese Strukturgleichheit wird nun noch einmal vergleichend für topologische Räume betrachtet.

Analysis[Bearbeiten]

In der Analysis ist das

Normierte Räume[Bearbeiten]

In normierten Räumen ersetzt man den Betrag durch eine Norm auf dem Definitionsbereich und eine Norm Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle \|\cdot \|_{\mathbb{W}}} auf dem Wertebereich der Funktion

Metrischen Räume[Bearbeiten]

In metrischen Räumen kann man den Abstand zwischen zwei Elementen im Raum messen. Der Ausdruck entspricht dem Abstand zwischen und und drückt diesen durch eine Metrik über auf dem Definitionsbereich. Mit einer weiteren Metrik auf dem Wertebereich der Funktion kann man die Stetigkeit wie folgt formulieren:

Topologische Räume[Bearbeiten]

Verallgemeinert man den Ansatz auf topologische Räume drückt man die dann durch ausgedrückt, wobei in einer Umgebung von liegt. Dadurch erhält man die Aussage analog für metrische Räume.

Beweis[Bearbeiten]

Der Beweis gliedert sich in zwei Implikationen

  • (R1) ist stetig in nach Definition, dann gilt das --Kriterium für topologische Räume
  • (R2) das --Kriterium für topologische Räume gilt und man zeigt, dass stetig in nach Definition ist.

Beweisrichtung (R1)[Bearbeiten]

Sei stetig in nach Definition. Dann gilt das Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle \varepsilon} --Kriterium für topologische Räume. Unsere Indexmenge mit der partiellen Ordnung:

.

Ohne Einschränkung seien die Netze so gewählt, dass . Damit konvergieren diese Netze mit einem beliebigen alle gegen .

Beweisschritt (R1.1)[Bearbeiten]

Sei nun beliebig gewählt. Da die oben definierten Netze mit alle gegen konvergieren, konvergiert mit der Definition der Stetigkeit auch das Bildnetz in gegen .

Beweisschritt (R1.2)[Bearbeiten]

Wegen der Konvergenz des Bildnetzes in gegen gibt es eine Indexschranke , ab der für alle

gilt:

Beweisschritt (R1.3)[Bearbeiten]

Da die Elemente der Netze beliebig aus gewählt werden konnten (d.h. Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle x_U \in U} gilt) und für einen größeren Index auch Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle x_{U} \in U \subseteq U_\delta} gilt, erhält man: Damit gilt das --Kriterium.

Beweisrichtung (R2)[Bearbeiten]

Sei ein Netz, das in gegen konvergiert. Es ist nun zu zeigen, dass bei gültigem --Kriterium für topologische Räume auch das Bildnetz gegen konvergiert.

Beweisschritt (R2.1)[Bearbeiten]

Um die folgende Aussage

zu zeigen, sei nun Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle U_\varepsilon \in \mathfrak{U}_{\mathcal{T}_Y}(f(x_0))} beliebig gewählt.

Beweisschritt (R2.2)[Bearbeiten]

Mit dem --Kriterium für topologische Räume gibt nun ein , sodass für alle auch gilt, dass .


Beweisschritt (R2.3)[Bearbeiten]

Mit der Konvergenz von gegen , gibt es eine Indexschranke , sodass für alle erfüllt ist. Damit gilt dann auch mit ab der Indexschranke mit , dass Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle f(x_i) \in U_\varepsilon } erfüllt ist.


Beweisschritt (R2.4)[Bearbeiten]

Insgesamt konvergiert mit dem --Kriterium für topologische Räume auch das Bildnetz gegen , da beliebig gewählt wurde.

Bemerkung - Epsilon-Delta-Kriterium für topologische Räume[Bearbeiten]

Aus der Analysis ist das -Kriterium für die Stetigkeit in eine Punkt bekannt. Die obige Aussage ist ein Analogon dazu für topologische Räume. und Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle \delta} als positive Zahlen machen in topologischen Räumen natürlich keinen Sinn. Die Bezeichnung dient lediglich dazu die analoge Struktur der Aussagen für eine in stetige Abbildung aufzuzeigen.

Stetigkeitsatz - Urbilder offener Mengen[Bearbeiten]

Seien und zwei topologische Räume, eine Abbildung. ist genau dann stetig in jedem Punkt , wenn die Urbilder von offenen Mengen in wieder eine offene Menge in .

Beweis[Bearbeiten]

Der Beweis gliedert sich in zwei Implikationen:

  • (S1) Aus stetig im jedem Punkt folgt, dass Urbilder offener Mengen wieder offen sind.
  • (S2) Wenn Urbilder offener Mengen immer offen in ist, ist stetig im jedem Punkt .

Beweisrichtung (S1)[Bearbeiten]

Wir führen den Beweis für (S1) durch Widerspruch und nehmen an, dass ein Urbild einer offener Mengen exisitiert, dass nicht offen ist, aber in jedem Punkt stetig ist.

Beweisschritt (S1.1)[Bearbeiten]

Wenn nicht offen in ist, besitzt in Randpunkt. Sei ein Randpunkt von (d.h. . Wegen , liegt in einer offenen Menge.

Beweisschritt (S1.2)[Bearbeiten]

Für Randpunkte einer Menge gilt, dass jede Umgebung Elemente aus dem Komplement von , denn wenn es eine Umgebung von Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle x \in U_o = f^{-1}(\widehat{U})} existiert, die ganz in liegt, wäre ein innerer Punkt und kein Randpunkt von . Nun konstruiert man ein Netz, das gegen konvergiert, dessen Bildnetz aber nicht gegen konvergieren kann.

Beweisschritt (S1.3)[Bearbeiten]

Als Indexmenge des Netzes verwendet man mit der partiellen Ordnung:

.

Für jede Umgebung wählen wir . Dabei geht ein, dass jede Umgebung um einen Randpunkt einer Menge, Element aus dem Komplement Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle U_o^c := X\setminus U_o } der Menge enthält für jedes existiert ein .

Beweisschritt (S1.4)[Bearbeiten]

Wegen konvergiert das Netz Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle (x_{_{U_1}})_{U_1\in I} } gegen . Wegen gilt, . Damit konvergiert das Bildnetz nicht gegen , weil ist und damit ist auch Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle \widehat{U} \in \mathfrak{U}_{\mathcal{T}_Y}(f(x_o))} eine Umgebung von .

Beweisschritt (S1.5)[Bearbeiten]

Bei einer Konvergenz von gegen muss aber auch für eine Indexschranke des Netzes geben, aber der für alle Elemente des Netzes auch in liegen. Damit ist nicht stetig in , was ein Widerspruch zur Annahme war.

Beweisrichtung (S2)[Bearbeiten]

Seien nun Urbilder offener Mengen unter wieder offen. Es gilt also:

  • für alle

Ferner sei beliebig gewählt und das Netz sei so gewählt, das es gegen konvergiert. Zu zeigen ist nun, dass das Bildnetz in gegen konvergiert.

Beweisschritt (S2.1)[Bearbeiten]

Wähle nun eine beliebige offene Menge . Man muss nun eine Indexschranke finden, ab der für alle gilt, dass .

Beweisschritt (S2.2)[Bearbeiten]

Da Urbilder offener Menge offen sind, gilt:

Beweisschritt (S2.3)[Bearbeiten]

Da das Netz nach Vorraussetzung so gewählt war, das es gegen konvergiert, gibt es eine Indexschranke , ab der für , dass . Wähle dann das gesuchte , denn dann erhält man:

q.e.d.

Bemerkung[Bearbeiten]

Da eine Topologie über Menge definiert wird, sind mengentheoretische Formulierung für die Stetigkeit in Regel für die Beweisführung besser geeignet als Netze. Einen ähnlichen Ansatz geht man mit Filtern, die ebenfalls als Mengensystem formuliert sind und die Konvergenz von Filter über die Teilmengenbeziehung zur Menge der Umgebungen von formuliert wird - d.h. dass ein Filter konvergiert, wenn dieser feiner als der Umgebungsfilter ist.

Beweisalternative für Beweisrichtung S2[Bearbeiten]

In der Beweisalternative verwendet man die Negation der Aussage (S2) und führt diese zum Widerspruch. Die Negation von (S2) lautet: stetig ist nicht in jedem Punkt und die Urbilder offener Mengen wieder offen.

Beweisschritt (S2.1) - Alternative[Bearbeiten]

Wenn in nicht stetig ist, gibt es ein Netz , das gegen konvergiert und eine Umgebung von , wobei für jeden Index ein weiterer Index ) exisitiert, für den nicht in liegt (d.h. ).

Beweisschritt (S2.2) - Alternative[Bearbeiten]

Da Urbilder von offenen Menge wieder offen in sind, gilt u.a.

Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle U_\delta := f^{-1}(U_\varepsilon) \in \mathcal{T}_X}

Weil gilt, erhält man auch . Damit ist auch eine Umgebung von .

Beweisschritt (S2.3) - Alternative[Bearbeiten]

Da das Netz gegen konvergiert, gibt es zu eine Indexschranke , ab der mit dann gilt. Damit gilt aber auch, dass

was ein Widerspruch zu Annahme war, dass für eine jeden Index ein größerer Index existiert, für den liegt.

Aufgabe[Bearbeiten]

Sei die durch den Betrag auf definierten euklidischen Topologie. Ferner sei die chaotische Topologie auf und die diskrete Topologie, bei der jede Teilmenge von offen ist. Wir betrachten nun die Identität mit für alle . Obwolh gilt, versehen wir den Definitionsbereich mit unterschiedlichen Topologien. Überprüfen Sie, ob die Abbildung stetig ist oder nicht.

  • Ist die Abbildung mit und stetig?
  • Ist die Abbildung mit und stetig?
  • Ist die Abbildung mit und stetig?
  • Ist die Abbildung mit und stetig?

Siehe auch[Bearbeiten]

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